專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)燃燒器探測(cè)器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)大體涉及光學(xué)燃燒器探測(cè)器系統(tǒng)，并且更具體而言，涉及具有定位在燃燒室的周?chē)鷣?lái)檢測(cè)攏焰和其它類(lèi)型的燃燒事件的許多纖維光學(xué)探測(cè)器的光學(xué)燃燒器探測(cè)器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
某些類(lèi)型的已知的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器使用稀薄(lean)預(yù)混合燃燒來(lái)減少諸如 NOx(氮氧化物)等氣體的排放。這樣的燃燒器一般具有附連到單個(gè)燃燒室上的許多燃燒裝置。在運(yùn)行期間，通過(guò)許多燃料噴射器來(lái)噴射燃料，并且燃料與旋動(dòng)的空氣流混合而產(chǎn)生燃燒火焰。由于稀薄化學(xué)定量關(guān)系的原因，稀薄預(yù)混合燃燒可實(shí)現(xiàn)較低的火焰溫度，以及因而可產(chǎn)生較低的NOx氣體等的排放。稀薄燃燒環(huán)境的一方面在于，火焰速度可隨燃料濃度的增加而提高。因而可將整體的燃燒區(qū)空氣動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)成適應(yīng)稀薄火焰速度。但是，接近燃燒區(qū)的燃料-空氣混合物可能不總是均質(zhì)的。由于燃料空氣混合物的局部差異，局部火焰速度可超過(guò)燃燒區(qū)設(shè)計(jì)極限。如果支持升高的稀薄火焰速度的狀況持續(xù)，則由于增大的熱負(fù)載或其它原因，火焰可侵害上游結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)致?lián)p害。因而期望有可檢測(cè)攏焰事件及其預(yù)兆使得可在發(fā)生損害之前采取補(bǔ)救措施的改進(jìn)的燃燒器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法，例如光學(xué)燃燒器探測(cè)器系統(tǒng)。另外，這種改進(jìn)的反應(yīng)時(shí)間還可提供減小運(yùn)行邊界的能力，以容許有甚至更稀薄的運(yùn)行，以及因此有更低的NOx氣體等的排放。

發(fā)明內(nèi)容
因而本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N用于燃燒室中的燃燒火焰的光學(xué)探測(cè)器系統(tǒng)。該光學(xué)探測(cè)器系統(tǒng)可包括許多光學(xué)探測(cè)器，它們不動(dòng)地附連在燃燒室的周?chē)⑶叶ㄎ怀墒沟霉鈱W(xué)探測(cè)器收集光學(xué)探測(cè)器中的各個(gè)的視場(chǎng)中的燃燒火焰所產(chǎn)生的光。在燃燒室的外部的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件可產(chǎn)生和分析表示光學(xué)探測(cè)器中的各個(gè)的視場(chǎng)中的燃燒火焰所產(chǎn)生的光的信號(hào)。本申請(qǐng)進(jìn)一步提供了一種監(jiān)測(cè)燃燒室中的燃燒火焰的方法。該方法可包括以下步驟將許多光學(xué)探測(cè)器定位在燃燒室的周?chē)?；產(chǎn)生表示光學(xué)探測(cè)器中的各個(gè)的視場(chǎng)中的燃燒火焰的許多信號(hào)；以及分析信號(hào)來(lái)確定燃燒室內(nèi)的燃燒火焰的位置。本申請(qǐng)進(jìn)一步提供了一種其中具有燃燒火焰的燃燒器。該燃燒器可包括燃燒室和不動(dòng)地附連在燃燒室的周?chē)脑S多光學(xué)探測(cè)器。光學(xué)探測(cè)器可定位成使得光學(xué)探測(cè)器收集光學(xué)探測(cè)器中的各個(gè)的視場(chǎng)中的燃燒火焰所產(chǎn)生的光。在燃燒室的外部的許多構(gòu)件可產(chǎn)生和分析表示光學(xué)探測(cè)器中的各個(gè)的視場(chǎng)中的燃燒火焰所產(chǎn)生的光的信號(hào)。對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，在審閱結(jié)合若干幅圖和所附權(quán)利要求得到的以下詳細(xì)描述之后，本申請(qǐng)的這些和其它特征與優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)。


圖I是已知的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖。圖2是可用于圖I的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器的局部側(cè)視圖。圖3是如可在本文中描述的那樣的光學(xué)燃燒器探測(cè)器系統(tǒng)的示意圖。圖4是如可在本文中描述的那樣的光學(xué)探測(cè)器的一部分的側(cè)視平面圖。圖5是具有如可在本文中描述的那樣的光學(xué)燃燒器探測(cè)器的已知燃燒器的局部側(cè)視圖。圖6是具有定位在其上的許多光學(xué)探測(cè)器的燃燒器的正視平面圖。部件列表10燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)15低壓壓縮機(jī)20高壓壓縮機(jī)25燃燒器30高壓渦輪35低壓渦輪40燃燒室45環(huán)形穹頂組件50混合組件55先導(dǎo)混合器60主混合器65燃料歧管70噴射端口75主殼體80混合器腔體85旋流器90燃燒火焰100光學(xué)燃燒探測(cè)器系統(tǒng)110光學(xué)燃燒器探測(cè)器120 光纖125 束130 涂層140導(dǎo)向管150外部構(gòu)件160光檢測(cè)器模塊170信號(hào)處理模塊180光電倍增器管190分光儀200進(jìn)入孔210 視場(chǎng)
220控制系統(tǒng)
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參看附圖，其中相同標(biāo)號(hào)在若干幅視圖中指相同元件，圖I顯示了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)10的示意圖。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)10可包括低壓壓縮機(jī)15、高壓壓縮機(jī)20、燃燒器25、 高壓渦輪30和低壓渦輪35。空氣流過(guò)低壓壓縮機(jī)15，并且壓縮空氣被輸送到高壓壓縮機(jī) 20。高度壓縮的空氣然后被輸送到燃燒器25。燃燒器25使壓縮空氣流與壓縮燃料流混合， 并且點(diǎn)燃該混合物而產(chǎn)生燃燒氣體流。燃燒氣體流繼而被輸送到渦輪30、35。燃燒氣體流驅(qū)動(dòng)渦輪30、35，以便產(chǎn)生機(jī)械功。還顯示了其它類(lèi)型的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)10和其中的構(gòu)件的其它構(gòu)造。圖2是可用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)10等的燃燒器25的一個(gè)實(shí)例的局部側(cè)視圖。燃燒器25包括燃燒區(qū)或室40和在燃燒室40的上游的環(huán)形穹頂組件45。環(huán)形穹頂組件45可包括在其中沿周向隔開(kāi)的許多混合組件50，以將燃料和空氣的混合物輸送到燃燒室40。各個(gè)混合組件50可包括先導(dǎo)混合器55和主混合器60。燃料歧管65可在先導(dǎo)混合器55和主混合器60之間延伸。燃料歧管65可通往定位在主殼體75的周?chē)脑S多噴射端口 70?；旌掀髑惑w80可限定在主殼體75和旋流器85之間?？稍诒疚闹惺褂闷渌鼧?gòu)造和其它構(gòu)件。 本文描述的燃燒器25僅是為了實(shí)例的目的?？稍诒疚闹惺褂闷渌?lèi)型的燃燒器。如上面描述的那樣，燃燒器25使燃料流和空氣流混合而產(chǎn)生燃燒火焰90。圖3和4顯示了如可在本文中描述的那樣的光學(xué)燃燒探測(cè)器系統(tǒng)100。光學(xué)燃燒器探測(cè)器系統(tǒng)100可包括定位在燃燒器25的燃燒室40或其中具有燃燒火焰90或其它類(lèi)型的燃燒動(dòng)態(tài)特性的類(lèi)似類(lèi)型的裝置的周?chē)囊粋€(gè)或多個(gè)光學(xué)燃燒器探測(cè)器110。可在本文中使用任何類(lèi)型的燃燒和/或燃燒室40。各個(gè)光學(xué)燃燒器探測(cè)器110可包括光纖120束。光纖120可為石英纖維等?？稍诒疚闹惺褂闷渌?lèi)型的光纖120。光纖120優(yōu)選為較小直徑的石英纖維，以便使得與單個(gè)大直徑纖維相比能夠有較緊的彎曲半徑。此外，小直徑的石英纖維可擁有類(lèi)似的光收集能力。 可在本文中使用任何適當(dāng)?shù)墓饫w材料?？墒褂霉饫w120束125。光纖120在其上可具有涂層30。涂層30可為黃金涂層或另一種類(lèi)型的貴重金屬。 可在本文中使用類(lèi)似的涂層，以便提供熱保護(hù)。也可使用耐高溫的其它類(lèi)型的涂層。光纖 120可定位在導(dǎo)向管140內(nèi)。導(dǎo)向管140可由不銹鋼或其它類(lèi)型的耐溫材料制成。因而具有光纖120、涂層130和導(dǎo)向管140的光學(xué)燃燒器探測(cè)器110可經(jīng)受住燃燒室40內(nèi)或其它地方的高的運(yùn)行溫度和壓力。例如，燃燒室40內(nèi)的溫度和壓力可超過(guò)大約1400°華氏度 (大約760°攝氏度)和大約750磅每平方英寸(標(biāo)準(zhǔn)尺寸)(大約5200千帕)或更多。光學(xué)燃燒器探測(cè)器系統(tǒng)100另外可包括定位在燃燒室40的外部的許多外部構(gòu)件 150。外部構(gòu)件150可包括光檢測(cè)器模塊160。光檢測(cè)器模塊160包含用以按光譜的方式分離來(lái)自光學(xué)燃燒器探測(cè)器110的進(jìn)入的收集到的光的光學(xué)構(gòu)件。光檢測(cè)器模塊160產(chǎn)生與光的強(qiáng)度成比例的信號(hào)。光檢測(cè)器模塊160基于接收自光學(xué)燃燒器探測(cè)器110的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)信號(hào)處理模塊170產(chǎn)生輸出信號(hào)。信號(hào)處理模塊170分析來(lái)自光檢測(cè)器模塊160的信號(hào)， 以提供燃燒信息。具體而言，信號(hào)處理模塊170可包括許多金屬罐式光電倍增器管180等。 因?yàn)楣怆姳对銎鞴?80具有快速的響應(yīng)時(shí)間，所以可使用光電倍增器管180來(lái)監(jiān)測(cè)燃燒室40內(nèi)的瞬時(shí)變化。信號(hào)處理模塊170還可包括分光儀190等，以便捕捉光放射光譜。因而信號(hào)處理器170即基于光電倍增器管180來(lái)處理時(shí)間頻率，又通過(guò)分光儀190來(lái)處理光頻域。還可在本文中使用干涉濾波器?？稍诒疚闹惺褂闷渌鼧?gòu)造和其它類(lèi)型的構(gòu)件。圖5顯示了在燃燒器25的周?chē)墓鈱W(xué)燃燒器探測(cè)器110中的一個(gè)的使用。具體而言，可在旋流器85的周?chē)蛟趪娚涠丝?70的下游的另一個(gè)位置的周?chē)@出進(jìn)入孔200。 光學(xué)燃燒器探測(cè)器110的導(dǎo)向管140可被供給到進(jìn)入孔200中，并且可焊接到旋流器85或其它位置上。假定導(dǎo)向管140可由不銹鋼制成，則可使用TIG(“鎢惰性氣體”)焊接?？稍诒疚闹惺褂闷渌B接手段。然后可將在其上具有涂層130的光纖120旋擰通過(guò)導(dǎo)向管140 以及銅焊到進(jìn)入孔200上。也可在本文中使用其它連接手段?？蓪⒐饫w120設(shè)定在期望的視場(chǎng)210處。因而各個(gè)光學(xué)燃燒器探測(cè)器110可監(jiān)測(cè)在其視場(chǎng)210內(nèi)的燃燒火焰90或其它類(lèi)型的燃燒動(dòng)態(tài)特性所產(chǎn)生的光。如圖6中顯示的那樣，光學(xué)燃燒器探測(cè)器系統(tǒng)100可使用定位在燃燒室40的周?chē)娜魏螖?shù)量的光學(xué)燃燒器探測(cè)器110。因而使用許多光學(xué)燃燒器探測(cè)器110提供了在空間上區(qū)分來(lái)自不同位置的燃燒事件的位置的能力。換句話(huà)說(shuō)，可精確地確定燃燒室40內(nèi)的燃燒火焰90的位置和特性。此外，使用外部構(gòu)件150提供了遠(yuǎn)程地確定燃燒事件的性質(zhì)的能力。在使用中，可使用光學(xué)燃燒器系統(tǒng)100的光學(xué)燃燒器探測(cè)器110而通過(guò)觀(guān)測(cè)在所關(guān)注的局部區(qū)域中的燃燒火焰90的“化學(xué)發(fā)光”來(lái)確定燃燒事件。大體地描述，化學(xué)發(fā)光是燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的光學(xué)輻射。燃燒反應(yīng)產(chǎn)生具有高能態(tài)的分子。受激分子可通過(guò)放射光來(lái)部分地轉(zhuǎn)變到較低的能態(tài)。放射的強(qiáng)度可與特定的反應(yīng)中的化學(xué)產(chǎn)生速率部分地成比例。 因而化學(xué)發(fā)光可測(cè)量反應(yīng)速率和放熱速率，以有關(guān)于特定的視區(qū)中的燃燒過(guò)程的當(dāng)前強(qiáng)度的信息。具體而言，表示各個(gè)光學(xué)燃燒器探測(cè)器110的視場(chǎng)210中的燃燒火焰90的信號(hào)可由光纖190收集，并且被導(dǎo)引到光檢測(cè)器模塊160。光檢測(cè)器模塊160產(chǎn)生與光的強(qiáng)度成比例的信號(hào)。然后可在信號(hào)處理器170中即以時(shí)域的方式又基于波長(zhǎng)來(lái)分析該信號(hào)。信號(hào)處理器170的分光儀190可構(gòu)造成檢測(cè)表示實(shí)現(xiàn)燃燒穩(wěn)定性的化學(xué)放射的光譜輻射。另外， 也可檢測(cè)表示燃料污染物或雜質(zhì)的光譜輻射。信號(hào)處理器170的光電倍增器管180可測(cè)量瞬時(shí)波動(dòng)?？稍诒疚闹惺褂闷渌?lèi)型的信號(hào)處理。可對(duì)光檢測(cè)器模塊160所提供的信號(hào)進(jìn)行濾波，以處理燃燒器幾何結(jié)構(gòu)引起的反射性背景放射。通過(guò)區(qū)分信號(hào)水平與背景信號(hào)，可更加精確地確定所關(guān)注的區(qū)域中的燃燒事件。因而光學(xué)燃燒器探測(cè)器系統(tǒng)100可以能夠在小于大約500微秒的時(shí)間常數(shù)內(nèi)檢測(cè)燃燒事件，例如火焰侵害、攏焰等。這種快速的響應(yīng)時(shí)間大體容許操作員或控制系統(tǒng)采取補(bǔ)救措施。因而可在本文中提供主動(dòng)反饋控制。反饋控制系統(tǒng)220大體可與壓縮機(jī)25和/ 或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)10的外部構(gòu)件150和控制構(gòu)件通訊。除了快速響應(yīng)時(shí)間之外，使用光學(xué)燃燒器探測(cè)器系統(tǒng)100主動(dòng)地防止不合需要的燃燒事件，使得可減小整體運(yùn)行邊界。減小整體運(yùn)行邊界可容許有較稀薄的運(yùn)行，以及因此容許有具有較少排放的較高的運(yùn)行效率。減小運(yùn)行邊界還可導(dǎo)致有在總重量上可為較輕的較緊湊的幾何結(jié)構(gòu)。此外，現(xiàn)在可記下和記錄不合需要的燃燒事件，以便對(duì)產(chǎn)品壽命和維護(hù)要求提供改進(jìn)的預(yù)測(cè)能力。
應(yīng)當(dāng)顯而易見(jiàn)的是，前述內(nèi)容僅涉及本申請(qǐng)的某些實(shí)施例，并且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可在本文中作出許多改變和修改，而不偏離由權(quán)利要求及其等效方案限定的本發(fā)明的大體精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于燃燒室(40)中的燃燒火焰(90)的光學(xué)探測(cè)器系統(tǒng)(100)，包括不動(dòng)地附連在所述燃燒室(40)的周?chē)亩鄠€(gè)光學(xué)探測(cè)器(110)；其中，所述多個(gè)光學(xué)探測(cè)器(110)定位成使得所述多個(gè)光學(xué)探測(cè)器(110)收集所述多個(gè)光學(xué)探測(cè)器(110)中的各個(gè)的視場(chǎng)(210)中的所述燃燒火焰(90)所產(chǎn)生的光；以及在所述燃燒室(40)的外部的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件(150)，其用以產(chǎn)生和分析表示所述多個(gè)光學(xué)探測(cè)器(110)中的各個(gè)的所述視場(chǎng)(210)中的所述燃燒火焰(90)所產(chǎn)生的光的信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)探測(cè)器系統(tǒng)(100)，其特征在于，所述多個(gè)光學(xué)探測(cè)器 (110)包括多個(gè)經(jīng)涂覆(130)的光纖(120)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)探測(cè)器系統(tǒng)(100)，其特征在于，所述多個(gè)光學(xué)探測(cè)器 (110)包括光纖(120)束(125)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)探測(cè)器系統(tǒng)(100)，其特征在于，所述多個(gè)光學(xué)探測(cè)器(110)包括定位在不銹鋼導(dǎo)向管(140)內(nèi)的多個(gè)光纖(120)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)探測(cè)器系統(tǒng)(100)，其特征在于，在所述燃燒室(40)的外部的所述一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件(150)包括光檢測(cè)器模塊(160)，以產(chǎn)生表示所述多個(gè)光學(xué)探測(cè)器(110)中的各個(gè)的所述視場(chǎng)(210)中的所述燃燒火焰(90)所產(chǎn)生的光的所述信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)探測(cè)器系統(tǒng)(100)，其特征在于，在所述燃燒室(40)的外部的所述一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件(150)包括信號(hào)處理模塊(170),以分析表不所述多個(gè)光學(xué)探測(cè)器(110)中的各個(gè)的所述視場(chǎng)(210)中的所述燃燒火焰(90)所產(chǎn)生的光的所述信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)探測(cè)器系統(tǒng)(100)，其特征在于，所述信號(hào)處理模塊 (170)包括多個(gè)光電倍增器管(180)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)探測(cè)器系統(tǒng)(100)，其特征在于，所述信號(hào)處理模塊 (170)包括分光儀(190)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)探測(cè)器系統(tǒng)(100)，其特征在于，在所述燃燒室(40)的外部的所述一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件(150)與反饋控制系統(tǒng)(220)通訊，以及其中，所述反饋控制系統(tǒng)(220)與所述燃燒室(40)相關(guān)聯(lián)。
10.一種監(jiān)測(cè)燃燒室(40)中的燃燒火焰(90)的方法，包括將多個(gè)光學(xué)探測(cè)器(110)定位在所述燃燒室(40)的周?chē)?；產(chǎn)生表示所述多個(gè)光學(xué)探測(cè)器(110)中的各個(gè)的視場(chǎng)(210)中的所述燃燒火焰(90) 的多個(gè)信號(hào)；以及分析所述多個(gè)信號(hào)，以確定所述燃燒室(40)內(nèi)的所述燃燒火焰(90)的位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的監(jiān)測(cè)燃燒火焰(90)的方法，其特征在于，所述分析步驟包括以時(shí)域的方式分析所述燃燒火焰(90)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的監(jiān)測(cè)燃燒火焰(90)的方法，其特征在于，所述分析步驟包括基于波長(zhǎng)來(lái)分析所述燃燒火焰(90)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的監(jiān)測(cè)燃燒火焰(90)的方法，其特征在于，在所述燃燒室(40)的外部執(zhí)行所述產(chǎn)生步驟和所述分析步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的監(jiān)測(cè)燃燒火焰(90)的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括和與所述燃燒室(40)相關(guān)聯(lián)的反饋控制系統(tǒng)(220)通訊的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)燃燒器探測(cè)器系統(tǒng)。本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N用于燃燒室(40)中的燃燒火焰(90)的光學(xué)探測(cè)器系統(tǒng)(100)。該光學(xué)探測(cè)器系統(tǒng)(100)可包括許多光學(xué)探測(cè)器(110)，它們不動(dòng)地附連在燃燒室(40)的周?chē)?，并且定位成使得光學(xué)探測(cè)器(110)收集光學(xué)探測(cè)器(110)中的各個(gè)的視場(chǎng)(210)中的燃燒火焰(90)所產(chǎn)生的光。在燃燒室(40)的外部的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件(150)可產(chǎn)生和分析表示光學(xué)探測(cè)器(110)中的各個(gè)的視場(chǎng)(210)中的燃燒火焰(90)所產(chǎn)生的光的信號(hào)。
文檔編號(hào)G01J1/42GK102607698SQ201110461558
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者D·L·沃什伯恩, G·克諾特, J·海恩斯, K·麥芒努斯, S·維赫 申請(qǐng)人:通用電氣公司